船舶工程虚拟现实应用平台设计研究

李圆明

【摘 要】随着计算机技术的发展，虚拟现实系统在各行各业中起到了重要的作用。船舶工程中虚拟现实技术融合了多门学科，是一个较大的体系。在虚拟现实中，使用硬件与软件的开发平台能够提高工作的效率。本文介绍了虚拟现实系统在船舶工程中的应用现状，探讨了虚拟现实应用平台的设计方法。

【关键词】船舶工程；虚拟现实；应用平台；研究

【中图分类号】U664【文献标识码】A【文章编号】1672-5158（2013）02-0034-01

虚拟现实技术作为一种高新技术，可以通过计算机将复杂的数据进行可视化，比传统的人机界面有着质的飞跃。在船舶工程中有很多方面都使用了虚拟现实技术，包括系统仿真、虚拟模拟器等，在教学和设计工作中十分受欢迎。通过虚拟现实的应用平台模拟复杂的海洋航行环境和仪器设备操作效果，实现崭新的人机交互，使用户更加直观、准确的实现操作者的意图。

一、虚拟现实系统在船舶工程中的应用现状

虚拟现实系统的主要特征包括交互性、构想性、感知性以及浸没感，通过在计算机的作用下生成三维的虚拟环境，使参与者能够感受到仿真的模拟环境，增强对事物的认识能力。

在船舶的机舱内有各种复杂的设备，所以制作出来的图像比较繁琐，使用轮机模拟器不能将机舱的整体设备结构图制作出来，只能实现对推进装置的运转工况参数仪表指示的仿真。在教学的过程中由于看不到机舱的实物，只能够通过按钮或者手柄实现相应的运转情况，在故障的判断方面还是存在一定的技术误差。随着计算机技术的不断发展，在船舶工程中使用多媒体、虚拟现实以及三维动态仿真等技术在机舱动感视景方面已经小有成就，但是从国内外的船舶工程虚拟现实的应用研究方面，都没有形成完整的体系，处于将半物理的仿真平台转向虚拟化的阶段，所以还存在很大的进步空间。

二、船舶工程虚拟现实系统的构成

1、系统构成

1）系统结构

船舶工程虚拟现实应用平台，是基于计算机模拟仿真技术的基础上实现对船舶的虚拟操作、拆装等过程。所以计算机虚拟现实系统给参与者提供了虚拟环境，整个系统包括三个方面：虚拟元器件库、设备库、实验单元和管理维护模块。虚拟现实应用平台主要为用户提供一个网络访问的服务器，在进行虚拟硬件实验的时候可以通过虚拟现实应用平台来实现程序的编辑、设计等。在虚拟仿真模块主要进行虚拟程序的编译、运行以及信号的检测等。

2）虚拟现实应用平台设计

主要有以下几种类别：①虚拟器件类。可以通过虚拟器件对IC元件的功能进行模拟。②虚拟仪表类。主要模拟对虚拟试验中的仪器仪表进行仿真的模拟，比如探测器、信号发生器、LED等。③虚拟面包板类。可以对面包板的功能进行模拟，通过虚拟引脚可以实现器件在面包板上的连接、信号传播等。④虚拟实验台类。可以对虚拟的实验平台进行模拟，主要负责各类仪表以及虚拟系统的管理。

2、功能的实现

1）元器件之间的连接

在虚拟元器件中主要通过引脚来实现不同器件之间的连接，虚拟现实系统中连线工作是信号传递的介质，是独立的一个整体，主要以Active控件的形式存在，在外观上由连线的点与线共同控制，实现了连线的工作运行。对于一对一的连线形式，在Sender函数的作用下，能够控制信号的接收和发送，整个过程中不会产生信号的冲突。但是在多种对接的连线类型中，会发送很多的信号，由于系统的抗干扰能力有限，所以会产生一定的冲突。由于虚拟现实系统有自身的特征，不同的信号在发送时，可以进行相应的逻辑处理，在信号源之间能够将它们的不同关系分析出来，然后在逻辑处理的过程中将多种对接类型的连线转化为一一对接的类型。具体的方法为：先分析各端点之间的关系，确定属于哪种类型的连线，如果只有一个信号的发送，不同点的接收，就可以判断为一对多的接收关系；有多个信号发送，不同点的接收，属于多对多的类型的连线，判断完之后在电路中安装一个逻辑门电路，可以作为信号发送的输入端，在门电路的作用下就能够实现一对一的连接关系。

2）虚拟现实系统对信号的控制

虚拟现实应用平台要对船舶进行设计，所以要对计算机传输的信号进行有效的控制。在计算机虚拟硬件电路中，经常把数字信号作为数据处理的对象，分析虚拟元件与电路的关系。在虚拟机实验系统中，虚拟连线作为主要的信号介质，如果在虚拟元器件的内部关系发生变化时，引脚值也会相应的改变，导致信号连接的连线值发生变化，这种情况叫做电路的触发，是通过Sender的方式来完成的。

3）多缓冲区多线程技术

在虚拟机中主要通过多个线程来完成不同的系统操作，提高了线程间通信的效率，使操作变得简单便捷。虚拟机通过数据缓冲的方式，可以将不同的模块同步的运行，占用系统最长时间的是虚拟机仿真运行模块，所以为了实现不同模块的同步要求，对多终端及网络系统进行了系统设计，同时虚拟机实验系统采用了缓存机制，将四个模块设置相应的缓存区，实现了线程的同步控制。

三、船舶工程虚拟现实应用平台系统模块及功能

1、主要的系统模块

1）CHSVL仿真运行模块

CHSBL作为虚拟机的现实应用平台，可以将其分为四个模块，包括虚拟机仿真运行模块、引脚模块、编译模块以及信号输出模块。在这四个模块相互作用之后实现了虚拟机系统的仿真运行。在整个系统的运行中必须要实现数据检测、编译、输出的并行操作，这样才能保证虚拟实验环境不受影响。

2）软件模型及数据库的建设

建立完相关的功能模块后，船舶工程虚拟现实应用平台能够模拟出整条船的工作状况，在实际的应用中要对各种设备模型和数据库进行研究，在建设软件模型及数据库的过程中要避免使用市场上的封闭式的应用系统，比如虚拟轮机模拟器器模型、机舱设备模型等，同时还要保证数据模型具备二次开发功能，给用户提供接口功能，而且对于不同低端的应用软件要组成将开放性的协同设计体系，设计结果可相互或转换，这样就能够在最大程度上扩展虚拟现实系统的应用。数据库的建设要独立于硬件平台，抢占式多任务管理，系统功能完善，而且容易维护。利用S Q L Server2000管理数据很容易就能够实现C/S模式数据管理，使用该系统能够对数据的访问进行修改，实现了产品的协同设计。

2、虚拟现实应用平台的主要功能

船舶工程虚拟现实系统的建设功能主要是从以下三个方面体现出来：第一，在教学的过程中系统可以将整条船进行虚拟的漫游，然后再交互设备的基础上实现对船舶设备的虚拟操作，进行动态的模拟，同时还可以对设备和机器进行虚拟的拆卸和装配，满足实验教学的需求；第二，在科研方面，虚拟现实应用平台能够对设备进行虚拟的设计、演示，在设备的使用前可以预演运作的过程，如果运行有问题，可以进行及时的修改；第三，在生产应用方面，可以提供船舶的设计、运行等虚拟的环境，并对船舶设备的运作进行虚拟的演示，实现产品设计的零投入。

总而言之，船舶工程虚拟现实应用平台通过在不断的研究下已经形成了特定的体系，实现了对船舶设备的三维空间模拟操作，但是在它的开发和使用中还存在一些问题，比如在虚拟机的使用中互动性差、连贯性不高，而且在软件的使用上比较复杂，功能太多不容易操作，所以在实践中要不断的完善虚拟现实应用平台，提高工作效率，让用户更加直观的了解操作者的意图。

参考文献

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[2] 姜学智，李忠华；国内外虚拟现实技术的研究现状[J]；辽宁工程技术大学学报；2004年02期

[3] 刘向铜；熊助国；曹秋香；；虚拟现实技术的若干问题及发展展望[J]；水利科技与经济；2006年05期